我國甲烷高效轉化研究取得重要突破

近日，中國科學院大連化學物理研究所包信和院士團隊基于“納米限域催化”的新概念，創造性地構建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實現了甲烷在無氧條件下選擇活化，一步高效生產乙烯、芳烴和氫氣等高值化學品。

隨著世界范圍內富含甲烷的頁巖氣、天然氣水合物、生物沼氣等的大規模發現與開采，以儲量相對豐富和價格低廉的天然氣替代石油生產液體燃料和基礎化學品成為了學術界和產業界的研究重點。甲烷分子具有四面體對稱性，是自然界中最穩定的有機小分子，它的選擇活化和定向轉化是實現天然氣直接轉化利用的重要環節，被公認為催化乃至化學領域的世界性難題。在20多年甲烷催化轉化研究的基礎上，中國科學院大連化學物理研究所包信和院士團隊成功將具有高催化活性的單中心低價鐵原子通過兩個碳原子和一個硅原子鑲嵌在氧化硅或碳化硅晶格中，形成高溫穩定的催化活性中心；甲烷分子在配位不飽和的單鐵中心上催化活化脫氫，獲得表面吸附態的甲基物種，進一步從催化劑表面脫附形成高活性的甲基自由基，在氣相中經自由基偶聯反應生成乙烯和其他高碳芳烴分子。當反應溫度為1090℃，每克催化劑每小時流過的甲烷為21升時，甲烷的單程轉化率高達48.1%，生成產物乙烯、苯和萘的選擇性高于99%，其中生產乙烯的選擇性為48.4%。催化劑在測試的60小時內，保持了極好的穩定性。

與天然氣轉化的傳統方法相比，該研究徹底摒棄了高耗能的合成氣制備過程，大大縮短了工藝路線，反應過程本身實現了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率達到100%。